CN115112219A - 一种长距离光纤分布式振动传感装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种长距离光纤分布式振动传感装置及工作方法，包括与第一耦合器第一端口连接的激光器，第一耦合器的第二端口依次与声光调制器、掺铒光纤放大器和光开关的第一端口连接，第一耦合器的第三端口与光混频器的第二端口连接；处理器通过数模转换器和射频驱动器连接声光调制器；光开关的第二端口与环形器的第一端口连接，光开关的第三端口与第二耦合器的第三端口连接；环形器的第二端口连接传感光纤，第三端口连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第一端口连接光混频器的第一端口，光混频器的第三端口通过巴伦接收器和模数转换器与处理器连接。使得系统信噪比与光纤后向散射信号极化状态无关，以抑制长距离探测引起的极化衰落现象。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种长距离光纤分布式振动传感装置及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
光纤分布式振动传感(Distributed Vibration Sensing,DVS)系统使用干涉测量技术探测光波沿光纤链路传播时产生的空间分布的后向瑞利散射信号，通过测量光纤沿线的后向散射信号变化，系统可以获得沿光纤链路空间分布的应力或者折射率变化。应力变化通常由振动引起，因此系统可以测量沿光纤链路空间分布的振动信号。
DVS已经广泛用于油气井监测、地下管道监测，以及边界控制和安全领域，随着应用领域的扩展对DVS系统的长距离探测性能要求越来越高。
基于φ-OTDR(相位敏感光时域反射技术)的DVS系统利用相干激光器发射短脉冲进入光纤，短脉冲沿光纤链路传播时产生后向瑞利散射信号，后向散射响应被系统的光电探测器接收。系统的空间分辨率受到脉冲长度的限制，当应力作用于一部分光纤时，多个瑞利散射点的干涉信号相位延迟会产生变化，引起后向散射响应产生波动，从而难以实现长距离监测。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种长距离光纤分布式振动传感装置及工作方法，探测和解调两路极化通道的后向散射信号，获得的两路极化通道信号功率与输入到90°光混频器的后向散射信号极化状态无关，使得系统信噪比与光纤后向散射信号极化状态无关，从而能够抑制长距离探测引起的极化衰落现象，有助于实现长距离振动监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种长距离光纤分布式振动传感装置，包括：
与第一耦合器第一端口连接的激光器，第一耦合器的第二端口依次与声光调制器、掺铒光纤放大器和光开关的第一端口连接，第一耦合器的第三端口与光混频器的第二端口连接；处理器通过数模转换器和射频驱动器连接声光调制器；光开关的第二端口与环形器的第一端口连接，光开关的第三端口与第二耦合器的第三端口连接；环形器的第二端口连接传感光纤，第三端口连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第一端口连接光混频器的第一端口，光混频器的第三端口通过巴伦接收器和模数转换器与处理器连接。
本发明的第二个方面提供上述装置的工作方法，包括以下步骤：
激光器产生低噪声光波进入第一耦合器的第一端口，分成两路，一路从第二端口出射作为调制光波进入声光调制器，另一路从第三端口出射作为本振光波进入光混频器的第二端口；声光调制器对调制光波整形，产生短脉冲光波经掺铒光纤放大器放大后，经光开关的第二端口传递给环形器，通过环形器的第二端口出射短脉冲光波并在传感光纤中传播。
短脉冲光波在传感光纤中传递，产生后向瑞利散射信号回到环形器的第二端口，由环形器的第三端口出射进入第二耦合器的第二端口，再由耦合器第二的第一端口出射进入光混频器的第一端口，光混频器的第三端口出射四路干涉光强信号进入巴伦接收器；巴伦接收器将干涉光信号转换为电信号，输出四路模拟电信号到模数转换器；模数转换器将四路模拟电信号转换为数字信号送给处理器，使处理器得到传感光纤后向散射信号的复极化信号。
处理器通过数模转换器和射频驱动器控制声光调制器，设置短脉冲持续时间，线性扫频带宽和步进次数。
处理器对复极化信号脉冲压缩处理，将后向散射信号与匹配滤波信号进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号，具体为：
式中，卷积结果Sc(τ)是光纤延迟τ的函数，光脉冲响应r(t)、传播短脉冲光场Et(t)，以及匹配滤波信号
均为τ的函数。
处理器经脉冲压缩处理，得到传播信号的自相关函数：
处理器基于脉冲压缩处理后的后向散射数字信号，解调出与传感光纤应力相关的光脉冲响应r(τ)测量结果，实现传感光纤沿线振动监测。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、探测和解调两路极化通道的后向散射信号，获得的两路极化通道信号功率与输入到光混频器的后向散射信号极化状态无关，使得系统信噪比与光纤后向散射信号极化状态无关，从而能够抑制长距离探测引起的极化衰落现象，有助于实现长距离振动监测。
2、可以使用高时间带宽积的传播短脉冲信号，提高系统信号探测能量，从而提高系统信噪比，延长可探测传感光纤距离；另一方面，在处理中将后向散射信号与匹配滤波信号进行卷积运算，得到与频率带宽倒数成比例的距离分辨率，在增加探测信号能量的同时，依然可以获得较好的空间分辨率，增强长距离振动监测系统的实用性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的长距离光纤分布式振动传感装置的结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的长距离光纤分布式振动传感装置工作时的脉冲压缩示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
DVS，光纤分布式振动传感(Distributed Vibration Sensing)。
φ-OTDR，相位敏感光时域反射技术。
正如背景技术中所描述的，基于φ-OTDR(相位敏感光时域反射技术)的DVS系统利用相干激光器发射短脉冲进入光纤，短脉冲沿光纤链路传播时产生后向瑞利散射信号，后向散射响应被系统的光电探测器接收。系统的空间分辨率受到脉冲长度的限制，当应力作用于一部分光纤时，多个瑞利散射点的干涉信号相位延迟会产生变化，引起后向散射响应产生波动，从而难以实现长距离监测。
以下实施例给出了一种长距离光纤分布式振动传感装置及工作方法，探测和解调两路极化通道的后向散射信号，获得的两路极化通道信号功率与输入到90°光混频器的后向散射信号极化状态无关，使得系统信噪比与光纤后向散射信号极化状态无关，从而能够抑制长距离探测引起的极化衰落现象，有助于实现长距离振动监测。
实施例一：
如图1-2所示，本实施例的目的是提供一种长距离光纤分布式振动传感装置，与第一耦合器(耦合器1)第一端口连接的激光器，第一耦合器的第二端口依次与声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器(EDFA)和光开关的第一端口连接，第一耦合器的第三端口与光混频器(90°光混频器)的第二端口连接；处理器通过数模转换器(DAC)和射频驱动器连接声光调制器；光开关的第二端口与环形器的第一端口连接，光开关的第三端口与第二耦合器(耦合器2)的第三端口连接；环形器的第二端口连接传感光纤，第三端口连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第一端口连接光混频器(90°光混频器)的第一端口，光混频器(90°光混频器)的第三端口通过巴伦接收器和模数转换器与处理器连接。
本实施例中，装置包括：波长1550nm的低噪声光纤激光器(型号Origami-15)、1×2光纤耦合器1(品牌Senko)、超快声光调制器(AOM)(品牌TeraXion)、射频驱动器(品牌iXblue，型号DR-PL-10-MO)、数模转换器(DAC)(品牌美国德州仪器，型号DAC12DL3200)、掺铒光纤放大器(EDFA)(品牌苏州波弗光电，型号AEDFA-23)、光开关(品牌Senko)、环形器(品牌Senko)、传感光纤(品牌江苏享通，波长1550nm单模)、1×2光纤耦合器2(品牌Senko)、90°光混频器(品牌苏州波弗光电，型号COH24)、巴伦接收器(品牌光翼智能，型号PBD)、模数转换器(品牌美国德州仪器，型号ADC12QJ1600)、处理器(以FPGA芯片为核心的控制板)。
激光器产生低噪声光波进入耦合器1的端口1，分成两路，一路从端口2出射作为调制光波进入声光调制器，另一路从端口3出射作为本振光波进入90°光混频器的端口2。
声光调制器对调制光波进行整形，产生短脉冲光波进入掺铒光纤放大器。
处理器通过数模转换器和射频驱动器控制声光调制器，设置短脉冲持续时间、线性扫频带宽和步进次数。
掺铒光纤放大器对短脉冲光波进行功率放大，通过一个1×2光开关以时分复用的方式进入耦合器2的端口3和环形器的端口1。
环形器的端口2出射短脉冲光波并在传感光纤中传播。
短脉冲光波在传感光纤中传递，并产生后向瑞利散射信号。
传感光纤产生的后向散射信号回到环形器的端口2，由环形器的端口3出射进入耦合器2的端口2，再由耦合器2的端口1出射进入90°光混频器的端口1。90°光混频器的端口3出射4路干涉光强信号进入巴伦接收器。
巴伦接收器将干涉光信号转换为电信号，实现4路干涉光强信号的平衡探测，转换得到的电信号去除了直流分量。巴伦接收器合计输出4路模拟电信号到模数转换器。
模数转换器将4路模拟电信号转换为数字信号送给处理器，使处理器得到传感光纤后向散射信号的复极化信号。
处理器对新的数字信号进行脉冲压缩处理，将后向散射信号与匹配滤波信号(传播短脉冲光场时间反褶的复共轭)进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号。
处理器基于脉冲压缩处理后的后向散射数字信号，可以解调出与传感光纤应力相关的光脉冲响应r(τ)测量结果，从而能够实现传感光纤沿线振动监测功能。
实施例二：
本实施例提供实施例一中装置的工作方法：
激光器产生低噪声光波进入第一耦合器的第一端口，分成两路，一路从第二端口出射作为调制光波进入声光调制器，另一路从第三端口出射作为本振光波进入光混频器的第二端口；
声光调制器对调制光波整形，产生短脉冲光波经掺铒光纤放大器放大后，经光开关的第二端口传递给环形器，通过环形器的第二端口出射短脉冲光波并在传感光纤中传播。
具体的：
第1步，激光器产生低噪声光波进入耦合器1的端口1，分成两路，一路从端口2出射作为调制光波进入声光调制器，另一路从端口3出射作为本振光波进入90°光混频器的端口2。
第2步，声光调制器对调制光波进行整形，产生短脉冲光波进入掺铒光纤放大器。短脉冲持续时间记为Tsw＝100μs，并使光波频率叠加一个具有线性扫频特征的频率成分。
处理器通过数模转换器和射频驱动器控制声光调制器，设置短脉冲持续时间100μs，线性扫频带宽80MHz和步进次数10000次。
第3步，掺铒光纤放大器对短脉冲光波进行功率放大，通过一个1×2光开关以时分复用的方式进入耦合器2的端口3和环形器的端口1。
第4步，环形器的端口2出射短脉冲光波并在传感光纤中传播。短脉冲光波在传感光纤中传输时产生的后向瑞利散射可以使用与散射延迟参数τ相关的光脉冲响应r(τ)进行描述。光脉冲响应r(τ)的原始波形与光纤本身材料密度和结构决定的热噪声有关。短脉冲光波在传感光纤中传输时，传感光纤产生的后向散射信号可以表示为传播短脉冲光场Et(t)与光纤光脉冲响应r(t)的卷积，即r(t)*Et(t)。当某个区域的传感光纤受到应力影响发生形变，光脉冲响应r(τ)在对应的延迟区域内也会产生变化，从而引起后向散射信号在对应空间(时间)区域的相位变化。
第5步，传感光纤产生的后向散射信号回到环形器的端口2，由环形器的端口3出射进入耦合器2的端口2，再由耦合器2的端口1出射进入90°光混频器的端口1。90°光混频器实现耦合器1的端口3出射的本振光波与传感光纤后向散射信号的相干探测。在90°光混频器内，光波被极化波束分光器分成两路正交极化光波。两路正交极化光波穿过1个2×4分束器，分成4路与本振光信号ELO(t)混频，获得4路相移为90°的干涉光强信号输出。90°光混频器的端口3出射4路干涉光强信号进入巴伦接收器。
第6步，巴伦接收器将干涉光信号转换为电信号，并且内部电路带宽能够满足探测信号带宽的工作需求，同时获得最佳的动态范围。同时，巴伦接收器实现4路干涉光强信号的平衡探测，转换得到的电信号去除了直流分量。对于每一路极化光场，巴伦接收器输出的两路电信号相差180°，可以分别作为该极化光场的同相信号和正交信号。巴伦接收器合计输出4路模拟电信号到模数转换器。
第7步，模数转换器将4路模拟电信号转换为数字信号送给处理器，使处理器得到传感光纤后向散射信号的复极化信号。
对于每一路极化光场的同相信号和正交信号，都可以表示为光脉冲响应r(t)、传播短脉冲光场Et(t)、以及本振光信号ELO(t)的相关表达式：
由于声光调制器在激光器出射光波频率的基础上，叠加了一个具有线性扫频特征的频率成分，本振光信号ELO(t)和传播短脉冲光场Et(t)的频率差通常大于100MHz。因此，处理器接收到传感光纤后向散射信号的复极化数字信号后，首先利用数字混频技术将信号中心频率降为0Hz(直流)，随后使用抗混叠滤波器和抽样技术得到相当于采样率fds获得的数字信号。
第8步，处理器对新的数字信号进行脉冲压缩处理，将后向散射信号与匹配滤波信号(传播短脉冲光场时间反褶的复共轭)进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号：
上式中，由于卷积结果Sc(τ)是光纤延迟τ的函数，因此光脉冲响应、传播短脉冲光场，以及匹配滤波信号均表示为τ的函数。
处理器的脉冲压缩处理相当于对传播短脉冲光场进行相关运算，获得传播信号的自相关函数：
因此，本实施中的长距离光纤分布式振动传感装置中，距离分辨率由A(τ)决定，即声光调制器叠加的线性扫频信号带宽的倒数。
处理器的每组脉冲压缩处理后的后向散射响应含有多个采样点，采样点的数量通常大于10000，具体数值取决于短脉冲持续时间和模数转换器采样率。
处理器基于脉冲压缩处理后的后向散射数字信号，可以解调出与传感光纤应力相关的光脉冲响应r(τ)测量结果，从而能够实现传感光纤沿线振动监测功能。
一方面，可以使用高时间带宽积的传播短脉冲信号，提高系统信号探测能量，从而提高系统信噪比，延长可探测传感光纤距离；另一方面，在处理中将后向散射信号与匹配滤波信号进行卷积运算，得到与频率带宽倒数成比例的距离分辨率，在增加探测信号能量的同时，依然可以获得较好的空间分辨率，增强长距离振动监测系统的实用性。
探测和解调两路极化通道的后向散射信号，获得的两路极化通道信号功率与输入到90°光混频器的后向散射信号极化状态无关，使得系统信噪比与光纤后向散射信号极化状态无关，从而能够抑制长距离探测引起的极化衰落现象，有助于实现长距离振动监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种长距离光纤分布式振动传感装置，其特征在于：包括与第一耦合器第一端口连接的激光器，第一耦合器的第二端口依次与声光调制器、掺铒光纤放大器和光开关的第一端口连接，第一耦合器的第三端口与光混频器的第二端口连接；处理器通过数模转换器和射频驱动器连接声光调制器；光开关的第二端口与环形器的第一端口连接，光开关的第三端口与第二耦合器的第三端口连接；环形器的第二端口连接传感光纤，第三端口连接第二耦合器的第二端口，第二耦合器的第一端口连接光混频器的第一端口，光混频器的第三端口通过巴伦接收器和模数转换器与处理器连接。
2.基于权利要求1所述装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
激光器产生低噪声光波进入第一耦合器的第一端口，分成两路，一路从第二端口出射作为调制光波进入声光调制器，另一路从第三端口出射作为本振光波进入光混频器的第二端口；
声光调制器对调制光波整形，产生短脉冲光波经掺铒光纤放大器放大后，经光开关的第二端口传递给环形器，通过环形器的第二端口出射短脉冲光波并在传感光纤中传播。
3.如权利要求2所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：短脉冲光波在传感光纤中传递，产生后向瑞利散射信号回到环形器的第二端口，由环形器的第三端口出射进入第二耦合器的第二端口，再由耦合器第二的第一端口出射进入光混频器的第一端口，光混频器的第三端口出射四路干涉光强信号进入巴伦接收器。
4.如权利要求3所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：所述巴伦接收器将干涉光信号转换为电信号，输出四路模拟电信号到模数转换器。
5.如权利要求4所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：所述模数转换器将四路模拟电信号转换为数字信号送给处理器，使处理器得到传感光纤后向散射信号的复极化信号。
6.如权利要求2所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：处理器通过数模转换器和射频驱动器控制声光调制器，设置短脉冲持续时间，线性扫频带宽和步进次数。
7.如权利要求5所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：处理器对复极化信号脉冲压缩处理，将后向散射信号与匹配滤波信号进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号。
8.如权利要求7所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：所述处理器对复极化信号脉冲压缩处理，将后向散射信号与匹配滤波信号进行卷积处理，得到脉冲压缩后的响应信号，具体为：
式中，卷积结果Sc(τ)是光纤延迟τ的函数，光脉冲响应r(t)、传播短脉冲光场Et(t)，以及匹配滤波信号
均为τ的函数。
9.如权利要求8所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：处理器经脉冲压缩处理，得到传播信号的自相关函数：
10.如权利要求8所述的一种长距离光纤分布式振动传感装置的工作方法，其特征在于：处理器基于脉冲压缩处理后的后向散射数字信号，解调出与传感光纤应力相关的光脉冲响应r(τ)测量结果，实现传感光纤沿线振动监测。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115580316A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-06 | 广东省新一代通信与网络创新研究院 | 一种用于5g nr-u频段的射频前端电路、电路板 |
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2022
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|---|---|---|---|---|
| CN115580316A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-06 | 广东省新一代通信与网络创新研究院 | 一种用于5g nr-u频段的射频前端电路、电路板 |
| CN115580316B (zh) * | 2022-11-09 | 2023-04-07 | 广东省新一代通信与网络创新研究院 | 一种用于5g nr-u频段的射频前端电路、电路板 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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